在许多感知温度的方法中,将先进的光学原理与光纤相结合提供了非常不同的方法,具有应用优势和实现限制。
的本文的前一部分研究了基于光纤布拉格光栅(FBG)和马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的两种光纤温度传感方法。其他复杂的光电技术也在研究之中,其中一些仅在“实地”使用。其中包括:
其他基于纤维的方法也正在研究中,在某些情况下,在某种程度上用于研究或工业环境。其中包括:
- Fabry-Pérot干涉仪(1897):它使用一对干涉仪,基于两个相互相对的高反射镜,形成一个驻波腔谐振器,镜面间距仅为50 μm量级(图1).这种微间距受材料热膨胀所测温度的影响,因此峰值透射波长可以指示温度。由于探测光和反射光可以通过单一的光纤发送,而光纤只用于传输光而不是用于实际的传感器,这被称为外部光纤传感器(与内部传感器相反,光纤本身作为传感器)。
这些微型Fabry-Pérot干涉仪可以用不同的方式构造,例如用一些机械夹具保持两个光纤端之间的气隙,或使用两个融合接头(两个光纤端之间的低损耗连接),通过在光纤端上涂介质涂层使其反射。
- 瑞利散射:由于光纤的微观变化,光在散射中心的散射比波长小得多。这导致了纤维折射率的波动,而这些变化随温度而变化。这是一个非常弱的效应,所以这是一个非常不同的现象来利用。
- 拉曼散射和拉曼光谱是广泛应用于材料分析的技术(包括观察密封包装或外壳内部)。能量被注入被评估的物质中。当组成原子放松到无能量的静止状态时,该系统观察发出的波长——称为回散射。随着温度的变化,这个反向散射的能级也会发生变化,其特征是一个复杂但明确的方程。
拉曼散射温度传感器系统可以在很长的光纤中工作,甚至可以在几十公里长的光纤中工作。该系统需要测量刚好高于和刚好低于泵浦波长(相当于几十纳米波长)的波长成分的功率,以确定入射能量与返回能量的功率比。空间分辨率在1米量级。温度分辨率可达1k量级,非常适合于油气管道的监测。
- 布里渊散射:这是一种非线性散射现象,它利用了折射率和声速的温度依赖性,这两个因素共同决定了声子的布里渊频移的幅度。[声子不是光子:光子是能量的一种形式,但声子是晶格结构中振荡的一种模式。光子可以看作是波和粒子,它们是物理上可观察的实体。声子是振动的一种方式,它既不是波也不是粒子。]
在受激布里渊散射和布里渊光时延分析(BOTDA)中,向光纤中注入皮秒光脉冲。另一个弱连续波探测束也被注入,但方向与皮秒脉冲相反。然后在脉冲和探测光束之间的光频差与局部布里渊位移(光纤应变和温度的函数)相一致的位置对探测光束进行放大。利用可变的光频差,就有可能绘制出布里渊频率图,从而绘制出温度与位置的关系。
如果瑞利、拉曼和布里渊的散射看起来很深奥——好吧,的确如此。简而言之:一段无缺陷、无异常特性的光纤后向散射的光,可以被光谱分解为三个不同的峰,分别对应三种现象(图2):
- 瑞利散射:电磁波在纤维芯中传播,与散射中心、二氧化硅杂质和增强添加剂相互作用。
- 拉曼散射:拉曼效应是光和硅分子热振动之间的相互作用,高度依赖于光谱水平上的温度。
- 布里渊散射:布里渊效应源于光子-声学声子相互作用。与入射光相比,它产生的光的频移约为10ghz。
如果发射的光子比吸收的光子有更多的能量,这种能量差被称为反斯托克斯位移;当发射的光子能量小于吸收的光子时,这种能量差被称为斯托克斯位移。
基于光纤的温度传感的优缺点
与任何技术资源一样,光纤温度传感有优点也有缺点。总的来说,在“积极”方面:
- 它对附近的EM(电磁)甚至核辐射具有高度免疫力。
- 由于它在传感端是非电子的,它可以在本质安全考虑适用的地方使用。
- 这种纤维本身轻便、灵活、紧凑。
- 这种纤维坚固耐用,可以承受温度和恶劣环境,如深井。
- 光纤传感器可以安装在远离电子设备的地方。
- 标准的商用光纤传感器可用于其中一些方法
然而,也有缺点:
- 这些都是复杂、先进的方法,将技术与应用程序相匹配可能很困难。
- 该系统需要激光器作为光源和先进的光学测量仪器,如光谱分析仪。
- 开发使用光纤传感器的测量系统可能是复杂的,而且需要高级的用户培训。
- 潜在的物理原理也很复杂、复杂,而且不可否认地难以理解;这可能导致实现困难、故障排除问题和对度量缺乏信心。
- 评估系统级别的准确性可能是一个挑战。
- 虽然光纤不贵,但整个系统的激光器和频谱分析仪可能是庞大和昂贵的。
光纤超越了温度感知
尽管本文关注的是用于温度感知的光纤,但它们的使用并不仅仅局限于这个公认的至关重要的物理参数。它们已经在现实世界中被用于感知和测量大型结构中的微弯曲,包括使用布里渊散射作为分布式应变传感器(图4).
还有许多研究项目和高度先进的项目,研究使用这些光纤和集成光电,以及其他光子组件来感知其他物理,包括微观和总体规模的磁场,作为另一个例子。
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外部引用
温度传感
- RP Photonics Consulting GmbH光纤温度传感器”
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- Micronor LLC。”TS系列温度传感器”
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- 维基百科,“光纤温度计”
- InTechOpen。”光纤温度传感器”
- 《无线射频世界》光纤温度传感器的结构、工作原理、优点、缺点”
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- 研究门。”光纤测温的应用”
- 传感器的信。”一种新型光纤测温仪及其在强电场、强磁场和强电磁场过程控制中的应用”
- 研究门。”基于多模光纤马赫-曾德尔干涉仪的超高敏温度传感器”
散射
背景和相关
- 维基百科,“光纤布喇格光栅”
- 《激光聚焦世界》分布式光纤水听器是基于外差相干探测的”
- 《激光聚焦世界》光纤通信:根据任务定制光纤”
- 维基百科,“迈克耳孙-莫雷实验”
- 美国国家航空航天局(NASA)”传感磁场:使用一种新颖的光波导光纤布拉格光栅”
- 阻塞性睡眠呼吸暂停综合症出版。”基于侧抛光光纤和磁流体的全光纤矢量磁场传感器”
- 光子学。”LIGO继续掀起波澜”
- 光学学会。”在OPN LIGO-Virgo”